05SSR-01-09 小型撬装式天然气液化流程的参数分析(曹文胜)

小型撬装式天然气液化流程的参数分析PARAMETER ANALYSIS OF SMALL-SCALE MIXED REFRIGERANT CYCLE INSKID-MOUNTED PACKAGE曹文胜鲁雪生顾安忠上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200030摘要:在流程热力分析的基础上，对小型撬装式混合制冷剂液化流程进行了模拟计算，并分析了气液分离器S1、S2的温度、高压制冷剂的压力、低压制冷剂的压力和高压轻烃制冷剂的压力对流程液化率、功耗和比功耗的影响。

结果表明，以上参数对功耗和比功耗的影响很大，而对液化率几乎没有影响；小型撬装式混合制冷剂液化流程简便灵活、能耗低、液化率高。

关键词: 小型撬装式混合制冷剂液化流程参数分析0 前言自1964年世界上第一座LNG装置（CAMEL）建造以来，低温液化装置已广泛应用于商业天然气液化领域，液化能力一般很大，如基本负荷型LNG 工厂单线液化能力已达 3.4Mt/a，调峰型约为0.9Mt/a。

但是大中型液化天然气系统由于装置庞大，不便于在天然气加气站、城市调峰用气、开发利用边远小气田、油井残气及沼气等领域应用，加之天然气车辆市场的不断发展，为开发小型天然气液化系统创造了条件。

小型天然气液化系统与大中型相比，最大的特点是设备简单紧凑，投资省，尺寸小型化，装置撬装化。

[1]。

国外从20世纪70年代开始对LNG装置的液化流程进行了设计、模拟与评价工作。

Shell公司模拟计算了级联式、混合制冷剂和氮气膨胀液化流程，并分析了其优劣。

1995年Melaaen建立了基本负荷型天然气液化流程动态仿真模型，并采用隐式DASSL进行了仿真计算[2]。

1997年Kikkawa设计了新型的混合制冷剂预冷、膨胀机液化流程，并采用CHEMCAD软件进行了模拟计算[3]。

1998年Terry采用HYSYS软件，对典型的调峰型天然气液化流程进行了模拟计算与优化[4]。

20世纪90年代初，我国开始进行天然气液化流程理论方面的研究，陈国邦、郑大振分析了调峰型LNG装置液化流程的特点，对不同流程及其使用条件进行了比较[5]。

1992年郭东海对混合制冷剂天然气液化流程的参数选定及优化工作做了初步的探讨[7]。

1999年刘新伟针对煤层天然气的回收，提出了带循环压缩机基金项目：福建省自然科学基金计划资助项目（E0440002）作者简介：曹文胜，（1973- ），男，博士生，讲师的氮膨胀液化流程并进行了模拟计算[6]。

上海交通大学顾安忠教授领导的课题组，对天然气液化流程进行了系统模拟[7]。

本文在流程热力分析的基础上，对小型撬装式混合制冷剂液化流程进行了模拟计算，并分析了气液分离器的温度、高压制冷剂的压力和低压制冷剂的压力对流程性能的影响。

1 液化流程和计算模型小型撬装式混合制冷剂液化流程如Fig.1所示。

混合制冷剂由氮、甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷和异戊烷组成。

该流程包括制冷循环和天然气循环两部分。

本模拟采用HYSYS软件进行计算，选用PR 和LKP物性包，以及COMThermo数据库。

2液化流程的参数分析2.1 初始化与模拟计算在计算前，需要确定的参数见Tab.1、Tab.2[7]。

流程的天然气处理规模为30000 Nm3/day，属于小型撬装式规模。

流程主要参数的选择，对计算结果及装置的技术经济指标有较大的影响，将以比功耗（即生产单位LNG产品的功耗）为目标函数进行优化确定。

Fig. 1.小型MRC液化流程Tab. 1. 组分的摩尔比例N2CH4C2H6C3H8i C4H10n C4H10i C5H12n C5H12 Natural gas 0.841 96.401 1.602 0.466 0.091 0.223 0.061 0.315 Small-scale MRC 5.2 24.6 29.5 20.4 5.5 4.8 5.1 4.9Tab.2. 小型MRC流程的压力和温度设定Natural gas: NG High-pressurerefrigerant: High-PLow-pressurerefrigerant: Low-PLNG store:LNGPressure (M Pa) 5.38 1.49 0.36 0.121 Temperature (℃) 40.0 36.0 31.73 -159.92.2 参数分析进行参数分析时，只变动进行分析的参数值，其余值不变。

分别分析气液分离器S1、S2的温度、高压制冷剂的压力、低压制冷剂的压力和高压轻烃制冷剂的压力对流程液化率、功耗和比功耗的影响，因为气液分离器的温度、混合制冷剂的高压和低压的选择对液化流程的正常运行和性能指标的影响很大。

计算结果见Fig.2~16。

Fig. 2. 分离器S1温度对液化率的影响Fig. 3. 分离器S1温度对能耗的影响Fig. 4. 分离器S1温度对比功耗的影响Fig. 5. 分离器S2温度对液化率的影响Fig. 6. 分离器S2温度对能耗的影响Fig. 7. 分离器S2温度对比功耗的影响Fig. 8. 高压制冷剂压力对液化率的影响Fig. 9. 高压制冷剂压力对能耗的影响Fig.10. 高压制冷剂压力对比功耗的影响Fig. 11.低压制冷剂压力对液化率的影响Fig. 12. 低压制冷剂压力对能耗的影响Fig.13.低压制冷剂压力对比功耗的影响Fig. 14. 高压轻烃制冷剂压力对液化率的影响Fig. 15. 高压轻烃制冷剂压力对能耗的影响Fig. 16. 高压轻烃制冷剂压力对比功耗的影响Fig. 2~ Fig. 4中，随着气液分离器S1温度的降低，压缩机功耗和LNG比功耗呈下降趋势，而液化率变化很小。

原因是随着S1温度的下降，分离器中混合制冷剂的气化率下降，预冷天然气和制冷剂的制冷量增大，而降低天然气和制冷剂进入流程时的温度对于减少流程耗功和比功耗非常有利。

Fig. 5~ Fig. 7中，随着气液分离器S2温度的降低，压缩机功耗和LNG比功耗呈上升趋势，而液化率变化很小。

原因是随着S2温度的下降，预冷轻烃制冷剂的制冷量增大，需要更多的重烃制冷剂流量，从而使得压缩机功耗和LNG比功耗增大。

Fig. 8~ Fig. 10中，随着高压制冷剂压力的增加，压缩机功耗和LNG比功耗呈下降趋势，而液化率变化很小。

原因是高压制冷剂压力升高时，一方面单位流量高压制冷剂的焓值降低，制冷剂流量也降低，功耗往减少的方向变化；另一方面，高压制冷剂压力的升高，引起压比升高，进而单位流量的功耗增加。

第一方面的作用远远超过第二方面的影响，从而使压缩机功耗和LNG比功耗降低。

Fig. 11~ Fig. 13中，随着低压制冷剂压力的增加，压缩机功耗先增大然后下降，LNG比功耗呈下降趋势，而液化率变化很小。

原因是低压制冷剂压力升高时，一方面单位流量低压制冷剂的焓值降低，制冷剂流量增大，功耗往增加的方向变化；另一方面，低压制冷剂压力的升高，引起压比减小，进而单位流量的功耗也减小。

这两方面相互作用，从而使LNG比功耗降低，压缩机功耗先增后减。

Fig. 14~ Fig. 16中，随着高压轻烃制冷剂压力的增加，压缩机功耗和LNG比功耗呈上升趋势，而液化率变化很小。

原因是高压轻烃制冷剂压力升高时，一方面单位流量高压轻烃制冷剂的焓值降低，预冷轻烃制冷剂的制冷量减少，即重烃制冷剂流量减小，功耗往减少的方向变化；另一方面，高压轻烃制冷剂压力的升高，引起压比升高，进而单位流量的功耗增加。

第二方面的作用远远超过第一方面的影响，从而使压缩机功耗和LNG比功耗增大。

3 结论小型撬装式混合制冷剂液化流程之所以设备简化，而性能参数丝毫不受影响，仍然保持接近C3/MRC流程的水平，关键在于混合制冷剂中相应地增加了重组分（正丁烷、异丁烷、正戊烷和异戊烷）的含量。

重组分经分离后，节流降温返流到换热器中为天然气和制冷剂提供预冷的冷量，以此代替丙烷预冷循环，而降低天然气和制冷剂进入流程时的温度对于减少流程耗功、制冷剂流量非常有利。

气液分离器的温度、制冷剂的高压和低压之间存在着强烈的耦合关系。

上述参数的选择能否合理，对液化流程的正常运行和性能指标的影响很大。

本文分析了气液分离器S1、S2的温度、高压制冷剂的压力、低压制冷剂的压力和高压轻烃制冷剂的压力对流程液化率、功耗和比功耗的影响。

从中可得出，要想使流程趋于合理、节能，需要调整哪些参数以及如何调整。

参考文献[1] Wolfgang Foerg, Wilfried Bach, Rudolf Stockmann et al, A New LNG Baseload and the Manufacturing of the Main Heat Exchangers [A], Twelfth international Conference & Exhibition on Liquefied Natural Gas, Perth, Australia, 1998，2.6[2] Gu Anzhong, Lu Xuesheng, Wang Rongshun, Shi Yumei, Lin Wensheng [M], Liquefied natural gas technology, China machine press, 2004[3] Yoshitugi Kikkawa, Moritaka Nakamura, Development of Liquefaction Process for Natural Gas[J], Journal of ChemicalEngineering of Japan, 1997, 30(4): 626~630[4] Terry Lavin, Comparison of Liquefaction Process [J], LNG Journal, 1998(3): 28~33[5] Chen Guobang, Yu Jianping, Huang Zhixiu, Zheng Jianyao, Liquefied natural gas technology and application[J], Cryogenic technology, 1995(5): 1~7[6] Liu Xinwei, Li haiguo, Liu Furong, Simulation and calculation of natural gas liquefaction process [J], Natural gas industry, 1999(1): 97~100[7] Shi Yumei, The thermodynamic research of the mixed refrigerant cycle to liquefied natural gas [D], Doctoral dissertation, Shanghai Jiao Tong University, 1998。